專利名稱：古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是，古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，尤其是對其節(jié)點半剛性特點的建模。
背景技術(shù)：
中國古建筑是中華文明的重要組成部分，是人類寶貴的文化遺產(chǎn)，其影響遠及日本和韓國等東亞國家。其中數(shù)量最多且最具特色的當屬古木結(jié)構(gòu)，如中國的應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔(公元1056年建)和薊縣獨樂寺觀音閣(公元984年建)。隨著時間的延續(xù)，對這些價值連城、失而不可復得的歷史文物的保護日益迫切。結(jié)合現(xiàn)場脈動試驗結(jié)果進行的整體結(jié)構(gòu)有限元分析，是對古建筑木結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)安全評估的重要手段。古建筑木結(jié)構(gòu)的特點主要有(1)梁柱截面大，承載構(gòu)件的截面應(yīng)力低，強度富裕量大；(2)鋪作層采用斗拱節(jié)點將豎向荷載收聚到木柱上，斗拱構(gòu)件繁多和傳力路徑復雜， 具有較好的抗震耗能性能；(3)梁柱節(jié)點采用榫卯連接和，為半剛性節(jié)點，也具有較好的抗震耗能性能；(4)柱腳節(jié)點采用柱礎(chǔ)石式(木柱平擱置在柱礎(chǔ)石上)、叉柱造式(多層木結(jié)構(gòu)上層明層木柱通過叉柱造插入其下暗層的鋪作層上)、騎楸造式(多層木結(jié)構(gòu)上層暗層木柱通過騎楸造插入其下明層的鋪作層上)和纏柱造式(與叉柱造式對應(yīng)的另一種做法)連接， 亦為半剛性節(jié)點等。由此可知，斗拱、半剛性梁柱和柱腳節(jié)點分別為古建筑木結(jié)構(gòu)抵抗豎向和水平荷載的關(guān)鍵部位。同時，由于古木結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了上百上千年的各種荷載作用，都存在著不同程度的結(jié)構(gòu)變形、材性劣化以及節(jié)點受力性能退化等殘損。如何建立一個充分體現(xiàn)古建筑木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型，尤其能否真實反映其斗拱的傳力路徑、梁柱和柱腳節(jié)點的半剛性特性及其受力性能退化，將直接影響到如有限元分析結(jié)果的可信度。在較早的古建筑木結(jié)構(gòu)受力分析中，一般都將榫卯節(jié)點簡化為剛接并忽略斗拱的作用，如陳平等在《西安建筑科技大學學報》1998年第30卷第3期上發(fā)表《西安鐘樓抗震性能分析》。然后，趙均海等采用變剛度單元模擬真實木結(jié)構(gòu)梁柱的榫卯連接，用虛擬單元的不同剛度條件反映真實的半剛性連接，見其在《西安建筑科技大學學報》1999年第31卷第 2期上發(fā)表的《中國古代木結(jié)構(gòu)的彈塑性有限元分析》。不久，方東平等在《工程力學》2001 年第18卷第一期上發(fā)表的《木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)特性的計算研究》中，提出了使用無幾何尺寸的三維半剛性節(jié)點單元來描述斗拱和榫卯節(jié)點在不同方向的剛度，此方法一直被后來的學者沿用至今。無論是趙均海還是方東平的半剛性單元模型，其參數(shù)的求解皆需使用現(xiàn)場脈動試驗測得的結(jié)構(gòu)動力特性(自振頻率、陣型和阻尼)作為參照。因此，在現(xiàn)有古木結(jié)構(gòu)整體分析中，連接半剛性特性及結(jié)構(gòu)殘損等皆反映在其半剛性單元上。當然，也有個別學者會對結(jié)構(gòu)變形和材性老化進行針對性的考慮和處理，但其模型的梁柱和柱腳節(jié)點皆簡化為剛性連接，如王玨的碩士論文《應(yīng)縣木塔扭、傾變形張拉復位的數(shù)字化模擬和安全性評價》。鋪作層在其鼎盛時期(如唐代)，其高度可為柱高的1/3，如果采用無幾何尺寸半剛性單元來模擬，將無法體現(xiàn)荷載的傳遞路徑及結(jié)構(gòu)的整體受力機理。劉妍等在《東南大學學報(自然科學版)》2007年第37卷第5期上發(fā)表的《獨樂寺遼代建筑結(jié)構(gòu)分析及計算模型簡化》中，提出將鋪作簡化為斜撐與桁架結(jié)構(gòu)，對古建筑的鋪作層有了更進一步的認識。綜上所述，至今尚未有學者提出過建立一個能充分體現(xiàn)古建筑木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，可建立一個能充分體現(xiàn)古建筑木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型，克服了現(xiàn)有方法建立的模型未能全面反映斗拱的傳力路徑、梁柱和柱腳節(jié)點的半剛性特性及其受力性能退化等特點的不足。本發(fā)明的技術(shù)方案是(1)采用梁單元來模擬古建筑木結(jié)構(gòu)的梁柱等主要受力構(gòu)件；( 使用梁一短柱單元組來模擬斗拱；C3)使用等效(梁)單元來模擬梁柱和柱腳節(jié)點半剛性特點；(4)通過移動柱頭和柱腳節(jié)點位置來反映結(jié)構(gòu)變形情況；(5)通過選用老化材料材性作為模型材性參數(shù)來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的材性劣化；(6)通過設(shè)置節(jié)點受力性能退化指標來描述梁柱和柱腳節(jié)點的受力性能退化程度；(7)基于模態(tài)參數(shù)的模型修正理論，通過遺傳算法求解模型各半剛性節(jié)點受力性能的退化指標。此方法需結(jié)合計算機繪圖軟件 AutoCAD、編程軟件Fortran和有限元軟件(如ANSYS和ABAQUS等)共同實現(xiàn)。與目前大部分建模方法相比，本發(fā)明古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法具有以下三個顯著優(yōu)點第一，采用梁一短柱單元組模擬斗拱，可反映豎向荷載在古建筑木結(jié)構(gòu)鋪作層中的傳力路徑；第二，使用等效(梁)單元模擬節(jié)點半剛性特性，可簡單有效地體現(xiàn)梁柱和柱腳節(jié)點的受力特性；第三，有針對性和簡單考慮了結(jié)構(gòu)變形、材性劣化以及節(jié)點受力性能退化等殘損情況。


圖1是斗拱的梁一短柱組合模型示意圖。圖2是梁柱(a)及柱腳(b)半剛性節(jié)點的等效單元模型示意圖。圖中，1.上承柱腳節(jié)點，2.泥道拱方向，3.下接梁柱節(jié)點，4.華拱里跳方向，5. 闌額，6.木柱，7.半剛性節(jié)點，8.等效單元，9.地楸。Hf H3和ST分別為模擬第一 三跳華拱和耍頭的梁構(gòu)件；ΝΓΝ4分別為模擬泥道拱、壁內(nèi)慢拱、第一和第二道柱頭枋的梁構(gòu)件；LD和SD分別為模擬櫨斗和散斗的梁構(gòu)件，CL則為模擬橫紋傳力虛擬短柱的梁構(gòu)件。
具體實施例方式本發(fā)明所提供的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，將首先建立一個無殘損的理想模型，然后將此基礎(chǔ)上，通過考慮古木結(jié)構(gòu)最嚴重的結(jié)構(gòu)變形、材性劣化和節(jié)點受力性能退化等三方面殘損問題建立古建筑木結(jié)構(gòu)的真實模型。一、理想模型。1. 1結(jié)構(gòu)形式。古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式一般分抬梁式、穿斗式、密梁平頂式和井干式四種。宋代的殿堂式和廳堂式，以及清代的“大木大式”(相當于宋廳堂式)和“大木小式”(又稱柱梁作)均屬抬梁式；穿斗式一直應(yīng)用在長江流域和東南、西南地區(qū)，而密梁平頂式常見于西藏、 青海和新疆等地；井干式出現(xiàn)在商代，現(xiàn)今只在東北林區(qū)和西南山區(qū)使用。除此之外，尚有一種宋代名為“簇角梁”而清代稱之“尖角”的亭式結(jié)構(gòu)。
根據(jù)研究對象的結(jié)構(gòu)形式，建立結(jié)構(gòu)層次與對象相同的理想模型。同時，理想模型應(yīng)包括木柱、闌額(或額枋)、斜撐及拱枋等主要構(gòu)件，從而能體現(xiàn)和分析這些主要受力構(gòu)件對古木結(jié)構(gòu)受力性能的作用。對于存在土磬墻的古木結(jié)構(gòu)，應(yīng)仔細分析該墻體對結(jié)構(gòu)是否有約束作用，如有可使用具有等效剛度的斜撐模擬并替代土墻的作用，否則可忽略不計。 1.2 斗拱。斗拱通過斗和拱橫紋承壓和拱枋抗彎來傳遞豎向力，故斗拱可簡化為梁一彈簧組合模型；而由柱腳傳來的水平荷載則由拱枋等抗彎和拱、枋間的暗銷抗剪及摩擦力來傳遞。 因此，可采用如圖1所示的梁一短柱單元組來模擬斗拱，即拱枋(梁)和斗(短柱)等構(gòu)件采用梁單元來模擬，并在各跳華拱與對應(yīng)拱枋交點間設(shè)置橫紋傳力虛擬短柱(梁單元)來傳遞各跳間的豎向和水平荷載。拱枋的截面尺寸來自實測量結(jié)果，而斗和橫紋傳力虛擬短柱的截面則取傳遞豎向荷載的有效承壓面積。1.3梁柱和柱腳節(jié)點。柱架的梁柱和柱腳半剛性節(jié)點是古建筑木結(jié)構(gòu)抗側(cè)移的關(guān)鍵。通過在柱與闌額 (宋式稱闌額，清式稱額枋，相當于梁)和柱與地楸之間設(shè)置一等效(梁)單元來模擬半剛性特點，如圖2所示，此節(jié)點稱為等效節(jié)點。假設(shè)等效單元與柱相連節(jié)點相對于另一與闌額相連節(jié)點的轉(zhuǎn)動角為該等效節(jié)點的轉(zhuǎn)角，根據(jù)半剛性節(jié)點與等效節(jié)點在相同彎矩作用下轉(zhuǎn)角相等的原則，可求得等效(梁)單元的i方向的抗彎剛度民,Ai J/」 (遠小于木柱的抗彎剛度A/q.)，其中，Κθ; 和Zew.分別為半剛性節(jié)點的i方向抗彎剛度(由試驗確定)和等效單元的長度。1.4建筑構(gòu)造等。“側(cè)腳”和“生起”是古建筑木結(jié)構(gòu)所特有的構(gòu)造措施，與大(重)屋頂?shù)淖龇ㄏ噍o相成，使結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定和安全。在大屋頂?shù)淖饔孟?，兩者均可提高梁柱?jié)點的抗彎性能，優(yōu)化水平荷載在柱架的傳力路徑，以及提高柱架的抗傾覆能力?！稜I造法式》對古木結(jié)構(gòu)的“側(cè)腳”和“生起”的大小和做法都有明確的規(guī)定和要求。因此，本發(fā)明建議應(yīng)在整體模型中按規(guī)定設(shè)置“側(cè)腳”和“生起”，以反映兩者對結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響。古木結(jié)構(gòu)屋面板和樓板與其下支承構(gòu)件間的連接疏松，平面剛度不大，故可忽略其作用。樓梯增加了結(jié)構(gòu)該處質(zhì)量的同時，還大大削弱了梯口周圍的抗側(cè)移剛度，通過設(shè)置虛擬等效質(zhì)量來模擬其對古木結(jié)構(gòu)受力性能的影響。1. 5材性與單元。古木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件長細比都較小，建議選用三維線性鐵摩辛科(Timoshenko)梁單元 B31進行網(wǎng)格劃分。古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)理想模型的材性忽略木材缺陷和尺寸效應(yīng)等影響，各構(gòu)件采用建造木材的清材材性。除主要受力構(gòu)件的重量按自重考慮外，瓦屋面和其它小作木構(gòu)件的重量根據(jù)面積或周長分配原則匯聚到各朵斗拱上。二、真實模型。2. 1結(jié)構(gòu)變形。古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形主要有整體傾斜、局部歪閃及扭轉(zhuǎn)等。整體傾斜不僅會導致重力附加彎矩，使結(jié)構(gòu)在水平荷載作用前就遭受初始傾覆力矩作用，從而降低了古木結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的能力。同時，對于多層古木結(jié)構(gòu)(如樓閣和塔等)，上層豎向荷載通過其下鋪作層橫紋承壓往下傳遞，由于木材橫紋承壓強度低且有蠕變特性(即木構(gòu)件在一定荷載作用下，變形會隨時間的增加而增加)，勢必進一步加劇古木結(jié)構(gòu)的整體傾斜。而古木結(jié)構(gòu)局部傾斜則削弱由大屋頂重力提供的抵抗水平傾覆力矩的力臂，也降低了結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的能力。對于某些古木結(jié)構(gòu)，如應(yīng)縣木塔，結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)剛度低從而發(fā)生了一定程度扭轉(zhuǎn)變形和損傷，降低了結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。以上三種結(jié)構(gòu)變形，也即幾何缺陷，都在較大的程度上影響著古木結(jié)構(gòu)抵抗荷載的能力，因此必須在其整體結(jié)構(gòu)模型中充分體現(xiàn)出來。大量的實例勘查結(jié)果表明，古木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形主要體現(xiàn)在其柱頭和柱腳位置的改變上。因此，可根據(jù)最新的測量結(jié)果，將理想模型各柱頭和柱腳按實測偏移量進行移動， 即可體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形殘損狀態(tài)，從而得到了真實模型的幾何形態(tài)。 2. 2材性劣化。古建筑木結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件在數(shù)百年甚至上千年的使用過程中，遭受不同程度的真菌腐朽、蟲蛀以及老化等環(huán)境因素引起的材性劣化作用，其材性有何變化，將密切影響著古木結(jié)構(gòu)的整體受力性能。本發(fā)明建議，對材料進行全面的材性試驗并與新材料材性進行對比，使用劣化木材材性試驗結(jié)果作為真實模型構(gòu)件材性參數(shù)指標，從而體現(xiàn)材料老化的影響。2. 3節(jié)點受力性能退化。梁柱和柱腳節(jié)點的半剛性是古建筑木結(jié)構(gòu)所特有的結(jié)構(gòu)特點。從工程力學的觀點出發(fā)，可知這些半剛性節(jié)點是古木結(jié)構(gòu)抵抗荷載作用的關(guān)鍵部位，也是“肥梁胖柱”式古木結(jié)構(gòu)的薄弱之處。經(jīng)歷上百年近千年滄桑的古木結(jié)構(gòu)，其梁柱和柱腳節(jié)點皆發(fā)生了不同程度的損傷，從而導致了其受力性能的退化，這對古木結(jié)構(gòu)抵抗荷載的能力有很大程度的影響。本發(fā)明建議通過定義退化指標込來描述古木結(jié)構(gòu)柱架節(jié)點的受力性能退化情況 當代等于0時，表示節(jié)點完好，受力性能無退化；當込等于1時，表示節(jié)點完全失效；當代在(Ti之間時，表示節(jié)點有某種程度的退化，其剩余抗彎剛度為完好時的(1-代)倍。然后， 基于模態(tài)參數(shù)的模型修正理論，通過遺傳算法求解真實模型各柱架節(jié)點的受力性能退化指標Di。依據(jù)以上所述步驟，即可建立一個能充分體現(xiàn)古建筑木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型，由其克服了現(xiàn)有方法建立的模型未能全面反映斗拱的傳力路徑、梁柱和柱腳節(jié)點的半剛性特性及其受力性能退化等的不足。
權(quán)利要求
1.一種古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征是(1)所建模型能反映斗拱的傳力路徑；( 所建模型能體現(xiàn)梁柱和柱腳節(jié)點的半剛性特點；C3)所建模型能描述柱架節(jié)點的受力性能退化程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于采用梁單元來模擬梁柱等受力構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于使用梁一短柱單元組模擬斗拱，以反映斗拱的傳力路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于使用等效(梁)單元模擬梁柱和柱腳節(jié)點半剛性特點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于通過移動柱架節(jié)點位置反映結(jié)構(gòu)變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于通過選用老化材料材性作為模型材性參數(shù)體現(xiàn)材性劣化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于通過設(shè)置受力性能退化指標來描述柱架節(jié)點受力性能的退化程度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，其特征在于基于模態(tài)參數(shù)模型修正理論，通過遺傳算法求解模型節(jié)點受力性能的退化指標。
全文摘要
一種古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法。其特點是(1)采用梁單元來模擬梁柱等受力構(gòu)件；(2)使用梁—短柱單元組模擬斗栱；(3)使用等效(梁)單元模擬梁柱和柱腳節(jié)點半剛性特點；(4)通過移動柱架節(jié)點位置反映結(jié)構(gòu)變形；(5)通過選用老化材料材性作為模型材性參數(shù)體現(xiàn)材性劣化；(6)通過設(shè)置受力性能退化指標來描述柱架節(jié)點受力性能的退化程度；(7)基于模態(tài)參數(shù)模型修正理論，通過遺傳算法求解模型節(jié)點受力性能的退化指標。其優(yōu)點在于可建立一個能體現(xiàn)古木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型，克服了現(xiàn)有方法建立的模型未能全面反映斗栱的傳力路徑、柱架節(jié)點半剛性特性及其受力性能退化等特點的不足。此方法需結(jié)合繪圖軟件AutoCAD、編程軟件Fortran和有限元軟件(如ANSYS和ABAQUS等)共同實現(xiàn)。
文檔編號G06F17/50GK102323968SQ201110328868
公開日2012年1月18日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者陳志勇 申請人:陳志勇